超导量子比特的纳米机械测量

Sat, 27 Jun 2026 00:00:00 +0000

Nanomechanical Measurements of a Superconducting Qubit#

超导量子比特的纳米机械测量#

M. D. LaHaye, J. Suh, P. M. Echternach, K. C. Schwab, M. L. Roukes

Caltech · Jet Propulsion Laboratory

Nature 459, 960–964 (2009)

摘要#

宏观机械结构的运动量子态的观测，仍是量子态制备与测量中一个悬而未决的挑战。一种受到广泛理论关注 [1–13] 的途径，是把超导量子比特作为控制与探测元件集成到纳米机电系统（NEMS）中。本文报告了 NEMS 谐振器与超导量子比特——Cooper-pair box（CPB）——耦合的测量。我们证明该耦合导致纳米机械频率的色散频移，它是腔量子电动力学（CQED）中电磁谐振器所经历的「单原子折射率效应」[14] 的机械 analogue。该色散相互作用的大幅值使我们能够进行基于 NEMS 的超导量子比特光谱测量，并观测 Landau-Zener 干涉效应——这是纳米机械读出量子干涉的首次演示。

背景与动机#

单个原子与宏观光腔之间非共振相互作用导致的色散频移，二十多年前首次被演示 [15]，最终催生了光的量子本性的优美验证与量子退相干的深入研究 [14]。其中最令人印象深刻的包括对单个微波光子的非破坏观测 [16] 和单腔模「薛定谔猫」态的制备 [17]。超导量子比特中的类似效应也被用于探测共面波导谐振器的 Fock 态 [18] 和微波驱动 Cooper-pair box（CPB）量子比特的缀饰态 [19]。

人们早已认识到：耦合到超导量子比特的纳米机械谐振器，在形式上应与 CQED 系统（简谐振子耦合到二能级系统 [1–13]）完全等价。此外，由于典型超导量子比特与 NEMS 之间存在巨大的频率差异，一种类似于 CQED 色散极限的耦合区间会自然存在，并能以类似方式实现高度非经典的纳米机械纠缠态 [6,11–13] 与 Fock 态 [2,7–9,11] 的制备与测量。

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超导量子比特的纳米机械测量

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超导量子比特的纳米机械测量#

摘要#

背景与动机#